井下水力压裂钻孔封孔技术研究与实践.pdf

煤矿现代化 2 0 1 0 年第6 期 总第9 9 期 井下水力压裂钻孔封孔技木研究与实践 吕有厂 ， 王玉杰 ， 张建华 ， 仝艳军 中平能化集团能源化工研究院瓦斯所 ，河南 平顶 山 4 6 7 0 摘要针对平顶山矿区突出煤层井下高压水力压裂的具体情况，研究适应各种情况的耐高压组合 封孔技术， 优化有机和无机材料组合封孔工艺。 在井下水力压裂钻孔封孔的实际操作过程中， 密封效果非常 明显。研 究结果对有效提高井下水 力压 裂封孔成功率具有重要 的指导意义。 关键词煤与瓦斯突出；水力压裂； 组合封孔技术 中图分类号 T D 7 4 文献标 志码 B 文章编号 1 0 0 9 0 7 9 7 2 0 1 0 0 6 0 0 3 3 0 2 近年来 ，井下水力压裂技术作为一项防治煤与瓦斯突出 的技术措施在平顶山矿区进行了试验研究。井下水力压裂作 业涉及到钻 、 测 、 封 、 压 、 抽等一系列复杂的工艺环节， 压裂作 业过程中多发生压裂钻孔跑浆 、 窜浆 、 漏浆现象 ， 致使压裂成 本增加 、 失败率升高 。对于井下 高压 水力压裂技术 而言 ， 一个 重要的技术难题 就是钻孔 的高压密封问题 ， 封孔质量 的好坏 ， 直接关系到压裂的成功与否。 1 压裂钻孔封孔机理分析 现场实测表明，压裂钻孔密封段泄漏裂隙要由钻孔周围 裂隙圈、 煤 岩 体裂隙、 密封体本身裂隙等三种裂隙组合而 成， 研究这三种裂隙分布情况， 是压裂钻孔封孔技术研究的基 础工作。 一 般认 为 ， 钻孔施工后 ， 其周 围的煤 岩 体可 以分 为破碎 区 、 塑性 区和 弹性 区， 钻孔周 围的裂 隙圈主要 由破 碎 区 卸 压 区 构成， 其径向裂隙圈直径一般为施工直径的 2～3倍以上 如煤体较软，则其径向卸压圈直径较大 ，由此测算直径为 8 9 m m钻孔施工后， 其径向裂隙圈直径为 1 8 0～2 4 0 m m左右。 对于煤 岩 体裂隙而言， 由于受到采掘影响， 煤 岩 体卸 压 区的宽度 约 2～ 5 m、 塑性 区宽约 5 1 0 m、 弹性 区宽 约 1 0～ 1 5 m， 原始应力 区一 般在 2 0 m以外 ， 原始应力 区内煤 岩 体裂 隙相对不发育。由此可见， 钻孑 L 裂隙圈远比煤 岩 体裂隙规模 小。由于井下钻孔周围的煤岩体强度较低 尤其在松软的岩层 和煤层 中 ， 钻孔周围往往存在微裂隙， 这种情况增加了密封 的难度。 目前 ，井下水力压裂钻孑 L 主要 采取 的密封方法有 水泥砂 浆 、 封孔器等无 机材料封 孑 L ， 前者封孑 L 后容易产 生收缩 ， 密封 效果差 ； 后 者胶囊容 易受高压 破裂 ， 封孔成 功率低 ， 回收率低 ， 材料价格高， 造成密封成本高。见下图 1 高压胶囊封孑 L 器封孑 L 示意图。 为有效控制封孔材料 、 人力等各种投入， 现场多把钻孔周 围裂隙圈作为重点控制对象，而将钻孔密封段的位置布置在 煤 岩 体原始应 力区内 ，封孔位置确定在压裂钻孑 L 深 2 5 3 5 m处 图 l 高压胶囊封子 L 器封子 L 示意图 2 压裂钻孔组合封孔技术 井下高压水力压裂钻孔泄漏途径多，特别是对于较松软 的煤岩体内， 封孔难度较大， 压裂失败率较高， 为了实现压裂 的成功率和保证压裂效果， 必须开发有效的高压密封装备。 一 般而言， 提高钻孔封孔的成功率 ， 必须解决三个问题 一 是钻孔裂隙圈内的裂隙封堵问题 、二是钻孔孔壁与封孔材 料的间隙封堵问题 、三是如何解决封孔材料凝固后自身产生 的微裂隙问题。特别是对于较松软煤岩体的钻孔， 由于松软煤 层裂隙发育 、 极易埸孔等问题 ， 单一封孔器、 封孔料等器材难 以下到指定的封孔段 位置 ， 封孔失败率极高。 根据平顶山矿区井下各试验地点压裂钻孔泄漏的不同途 径， 经过反复试验研究， 提出了高压无机材料与有机材料优化 组合的新思路， 开发新型带压封孔工艺， 使用新研制的高压胶 囊、 密封材料封孔， 封孔后承压强度 4 0 MP a ， 使松软煤层压裂 钻孔的封孔成功率成倍提高。 2 ． 1 高强度组合封孔器 对于较松软煤岩层的压裂钻孑 L 而言，封孔时首先要解决 的问题是钻孔密封段合理设计问题。见下图2 一新型高强度封 孔器设计 图。 图 2 新型高强度封孔器结构图 研究表明， 松软煤岩体裂隙较发育， 为了有效控制钻孔周 围裂隙圈，须采用高强度组合封孔工艺可有效控制钻孔及其 附近的泄漏通道 。在设计钻孑 L 封孔段 里外侧各布置一个 高压 胶囊 ， 在胶囊 中注入有机 封孔材料 ， 使 其膨 胀封 严钻孑 L 孔 壁 ； 然后在两个 胶囊形成 的封 闭空 间内高压 注入有机 封孔材 料 ， 浆料在压力作用下， 进入钻孔周围裂隙内， 有机浆料反应 、 膨 胀 ，在其渗透到的裂隙内与煤岩体形成一定范围的高强度固 体结合物， 为高压水力压裂提供高压密封环境。 2 ． 2 封 孔工艺流程 1 准备动力风源， 要求风压 0 ． 2～ 0 ． 6 M P a 。 2 把原料和气动泵运到施工现场。 3 将风管接入钻杆 ， 吹净孔 内钻屑 4 连接高压管路和封孔器， 并手动将封孔器送人孔内预 定位置。 5 安装气动泵 ， 联接注浆管 。 6 将吸浆管分别放入吸浆桶中， 开启气动泵， 把浆料按 1 1 的比例通过出浆管 、 单向逆止阀、 三通混合器送进注浆管 3 3 一 嚼 一 一 二 埋 二 寸 一 二 而 ～ 二 一 潭 | l 一 一 孔 一 ～ 飙 一 煤矿 现代化 2 0 1 0 耳第6 期 总第9 9 期 较薄保护层开采沿空留巷Y型通风巷帮充填技术 胡 刚。 蔡二东 淮南矿业 集团 有限责任公 司 谢一煤矿 ，安徽 淮南 2 3 2 0 5 2 摘要根据集团公司提出的“ 可保必保、 应抽尽抽” 的瓦斯治本战略， 结合薄煤层保护层开采的特点， 设计采用沿空留巷 Y型通风方式开采保护层以解决煤与瓦斯共采关键问题。同时重点阐述了这项技术的核 心 ， 巷帮充填技术。 关键词 薄煤层 ；保护层 ；沿空 留巷 ；Y型通风 ；巷帮充填 中图分类号 T D 3 5 3 文献标志码 B 文章编号 1 0 0 9 0 7 9 7 2 0 1 0 0 6 0 0 3 4 0 2 谢一矿望峰岗井是淮南矿业集团开发建设的也是安徽第 一 对超千米 深井 ， 是淮南矿 区开采技术条件最 复杂 、 开采难度 最大的一对矿井 ，在淮南乃至全 国最具深井典型性。2 0 0 7年 1 2月 1 6日联合试运转 ， 2 0 0 8年 2月被国家批准为高瓦斯复 杂地质条件深井开采试验矿井， 2 0 0 8 年 5月 2 4日正式通过国 家验收。矿井自试运转至今都在重点进行保护层开采关键技 术研究 ， 主要为瓦斯综合治理开采保护层 、 Y型通风、 高瓦斯突 出煤层在低瓦斯状态下安全开采技术。 1 5 1 2 1 5 工作 面概 述 1 谢一矿 5 1 2 1 5 工作面走向长平均 1 6 8 8 m， 倾斜长平 均 1 9 5 m。工作面内C1 5煤层赋存不稳定 ，煤层厚度 0 ． 1 m～ 1 ． 1 m之间， 平均煤厚 0 ． 8 m。工作面内煤系地层总体为一单斜 构造 ， 走向为 N W方向， 倾向 N E方向， 平均倾角 2 0 。。 2 5 1 2 1 5 综采工作面为保护层工作面， 设计采用沿空 留巷 Y型通 风方式 ， 上下风巷同时进风 ， 通过 留设 的下一 阶段 工 作面 的回风巷 回风 ，形成 Y 型通风道 。工作 面总 进风量 2 1 0 0 m ／ rai n 上风巷 1 3 0 0 m’ ／ m i n ， 下机巷 8 0 0 m ／ ra i n 。平均相 对 瓦斯涌 出量为 1 0 9 m， ／ t 。工作面 回采时绝对 瓦斯涌 出量 为 1 2 0 i n ／ m i n 。 设计工作面回采过程中采用底板巷上向网格式穿 层钻孑 L 、 上 、 下 风巷 上向 、 下 向拦截穿层孔 、 采空 区埋管 及地 面 钻井抽采立体综合防突集成瓦斯治理技术。 2 工作面综采装备选型情况 表 1 工作面综采装备选型情况表 3 充填设备的选型配套与布置 1 本工作面采用德国 B S MI O O 2 E新型充填泵 ，驱动 B S MI O 0 2 一 E混凝土泵 的防爆电机原装进 口为 5 5 k W， 6 6 0 V； 换 装 国内防爆电机需调整为 7 5 k W， 3 8 0 ／ 6 6 0 V。 2 充填泵布置在机巷新鲜风流内， 距工作面长不得超过 6 0 0 m， 高差不超过 3 0 m。 内。 7 注浆压力达到 1 ． 5 MP a时， 1 样和 2 单向阀打开 ， 浆 料进入 l 撑和 2胶囊内，使胶囊膨胀直至注浆压力上升到 3 ． 5 MP a ， 胶囊封严孔壁后 ； 3} }单 向阀在高压 3 ． 5 MP a 作用下打 开， 浆料进入钻孑 L 密封段裂隙圈内， 注浆至 1 5 MP a ， 停止注浆。 8 施工完毕后用机油清洗泵和管路 ， 并清理现场。 3 封孔效果分析 对于松软煤岩层内的压裂钻孔，使用高压组合封孔器进 行带压封孔后， 对其密封效果进行了实测分析。 3 ． 1 工作面概况 十二矿 己 1 5 1 7 2 0 0采面位于 己七采区中部 。该面倾斜长 度为 2 3 0 m，可采走向长度 7 5 0 m ，可采储量 7 3万 t ，煤厚 3～ 3 ．5 m，煤层容重 1 ． 3 l t ／ m ， ，煤层倾角 1 5～ 3 0 。 ，采面标高在 ⋯ 5 0 5 5 9 5 m之间。瓦斯压力 2 ． 8 5 MP a ， 瓦斯含量 2 0 ． 3 m ， 属 于严重突出危险工作面。 3 ． 2 封孑 L 效果分析 在采面回采前的区域瓦斯治理过程中，实施了本煤层水 力压裂。在采面机、 风巷各布置 2 0个水力压裂钻孔 ， 钻孔设计 孔径 8 9 ram， 孑 L 深 8 0 m， 孑 L 间距为 4 0 m。 本煤层水力压裂钻孑 L 封孔用高强度组合封孑 L 器和水泥砂 3 4 浆各封 2 0个孑 L ，高强度组合封孑 L 器与水泥砂浆封孔问隔布 置， 进行对比实验。 实验表明， 采用高强度组合封孔器， 使用组合封孔工艺进 行封孔， 基本堵绝了漏浆 、 窜浆、 跑浆等现象， 较好地解决了松 软煤层因其裂隙发育而造成的封孔时间长 、封孔成本高等一 系列问题 ， 有效地提高了封孔成功率 ， 使水力压裂工作得以顺 利进行， 为提高低透煤层瓦斯抽放率奠定了坚实基础。 参考文献 [ 1 】 郭春 晖． 矿 用固化 泡沫充填新技 术的应用 [ J 】 ．煤矿 安全， 2 0 06 f 1 0 1 2 62 7． 【 2 ] 俞启香．矿井瓦斯防治 [ M] ． 徐州中国矿业大学出版社， 1 9 92 20 -21 ． [ 3 ] 余长林． 提 高低透 气性煤层钻孔抽放 瓦斯 的途径f J ] ． 煤矿安 全， 1 9 9 9 5 3 5 3 6 ． 1 4 】 张铁 岗． 矿井瓦斯综合治理技术[ M ] ． 北京 煤炭工业出版社， 20 01 ． 作者简介 吕有厂， 教授级高工， 现任 中平能化集团能源化工研究院 瓦斯所所长。 收稿日期 2 0 1 0 9 2